飞秒级激光加工在医疗设备行业的运用

激光技术的最新进步为精密机加工注入了更强的能力，既杜绝了热效应，又最大程度减少了后处理。 

毫秒级（ms）光纤激光器多年来一直成功应用于医疗设备应用，例如注射管和支架的切割。尽管精密而快速，但这种加工方法的不利之处在于部件切割之后总是需要执行一系列的后处理，显著增加了部件成本，并增加了这些精巧机械部件受损的风险。 

近年来，超短飞秒（fs）级激光器技术已得到引入，这种激光器所生成的激光脉冲不会在部件上留下热效应指纹。这些碟式飞秒激光器提供了短于400fs的激光脉冲和卓越的光束质量，并且具备足够的峰值功率，足以实现极高质量的冷烧蚀切割工艺，无需采用熔融喷射工艺。由此执行的切割加工只需要最少量的后处理，而且更细的光束更可以加工出非常精巧的细部。 

这种工艺在生产医疗设备时效果特别出色，如导管、心瓣膜和医用支架，并可用于玻璃切割和标识制作应用，还可用于牙科植入物陶瓷材料的3D结构制造。但是，也许最有潜力的应用在于一种新类型的生物吸收型材料，即能够在受控时间长度内在身体内安全地置留并随后吸收的聚合物材料，目前这些材料正处于开发当中，将用于替代传统聚合物或金属部件。 

过去，飞秒级激光器一直被认为加工速度过慢，无法执行商业上可行的加工作业。最近的研究评估了每个部件的切割用时和后处理步骤，证明了在许多个案当中，碟式飞秒级激光器的投资回报期少于12个月，特别当用于加工高价值部件时。飞秒级激光器的潜力在很大程度上有赖于系统平台，因此Jenoptik和Miyachi America正在联手开发台阶平台和扫描头平台，这两种平台设计用于达到微处理所要求的质量和精密度水平。

图1.此图对比了采用毫秒级激光器与飞秒级激光器的加工结果

飞秒级激光基本特点 

飞秒级光脉冲属于超短脉冲（USP）。1fs＝10-15s，作为校准点，1个300fs的脉冲等于仅90μm的物理脉冲长度。由于不像纳秒级（ns）脉冲那样的热加工过程，USP具有众多优点：没有热冲击、没有冲击波、无微裂纹、无熔融效应、无表面损伤、无残屑、无材料喷射、无重铸层。 

飞秒级激光器技术并非新鲜技术，这项技术已经广泛应用于科研机构和研究中心30多年了。但是，可在商业上应用的飞秒级激光技术，需要具备能够在工业环境下以全天无休24/7式工作的能力，而这种技术才出现了只不过7年左右。飞秒级激光器最近用于晶圆切片和蚀刻P1、P2、P3级太阳能电源板，或用于在电池板上制造供电极使用的沟槽，而如今这种激光器掀起了一波新加工能力的浪潮，有众多医疗设备将成为这种加工方式的优良适用者，特别是考虑到这种工艺在加工部件方面所存在高成本时。 

除了能够尽量减少后处理而带来的投资回报合理性之外，飞秒级碟式激光器还可以形成一些独有特色，而这些特色是之前因为质量顾虑而不可能实现的，特别是在聚合物加工领域。图2所示为纳秒级355nm激光源与1030nm飞秒级激光源在加工聚丙烯时的对比。碟式飞秒级激光加工孔在外观上呈现出极少的锥度，孔周围完全没有熔融和热效应变形现象。这种能力可以帮助产品提升在设计上的自由度，无需或极少需要在制造工艺方面做出妥协，只需尽力加强功能。

图2.以上对比照片显示了采用一个355nm纳秒级（NS）激光器（左）和一个1030nm飞秒级碟式激光器（右）所钻成的孔